پمپ‌های وکیوم روتاری، ابزارهای کلیدی در ایجاد خلاء هستند که بر اساس یک اصل فیزیکی بنیادین به نام جابجایی مثبت کار می‌کنند. برخلاف برخی دیگر از انواع پمپ‌های خلاء که از روش‌های انتقال تکانه یا گیراندازی مولکول‌های گاز استفاده می‌کنند، پمپ روتاری به طور مکانیکی حجم‌های مشخصی از گاز را از یک محفظه یا سیستم به دام انداخته و آن را به محیطی با فشار بالاتر (معمولاً فشار اتمسفر) منتقل و تخلیه می‌کند. این عمل گرفتن و هل دادن پیوسته گاز، باعث کاهش تدریجی فشار در سیستم و ایجاد خلاء می‌شود. قابلیت شروع به کار از فشار اتمسفر یکی از ویژگی‌های مهم این اصل عملکرد است.
قلب تپنده پمپ وکیوم روتاری، المان‌های چرخان آن است که وظیفه جابجایی گاز را بر عهده دارند. رایج‌ترین نوع این پمپ‌ها، پمپ پره‌ای نام دارد. در این نوع، یک روتور استوانه‌ای به صورت خارج از مرکز درون یک پوسته (استاتور) استوانه‌ای بزرگتر می‌چرخد. روی روتور، معمولاً دو (یا گاهی بیشتر) پره یا تیغه در شیارهایی قرار دارند که می‌توانند به صورت شعاعی در این شیارها بلغزند.
نکته کلیدی در عملکرد این پره‌ها، حفظ تماس دائمی نوک آنها با دیواره داخلی استاتور در حین چرخش روتور است. این تماس یا توسط فنرهایی که در پشت پره‌ها قرار گرفته و آنها را به بیرون هل می‌دهند، یا توسط نیروی گریز از مرکز حاصل از چرخش سریع روتور، تضمین می‌شود. جنس این پره‌ها بسته به نوع پمپ متفاوت است؛ در پمپ‌های روغنی معمولاً فلزی هستند، اما در پمپ‌های خشک از مواد پیشرفته خود-روانکار مانند کامپوزیت‌های گرافیتی استفاده می‌شود تا نیاز به روغن در محفظه پمپاژ برطرف گردد.
چرخه چهار مرحله‌ای پمپاژ گاز در پمپ پره‌ای
عملکرد پمپ وکیوم روتاری پره‌ای را می‌توان در یک چرخه چهار مرحله‌ای پیوسته که با هر دور چرخش روتور تکرار می‌شود، خلاصه کرد:
۱. مکش (Induction): با چرخش روتور، در ناحیه ورودی پمپ (پس از نقطه نزدیکترین فاصله روتور به استاتور)، فضای بین روتور، استاتور و پره پیشرو به تدریج افزایش حجم پیدا می‌کند. این انبساط حجم طبق قانون بویل باعث کاهش فشار موضعی شده و گاز را از سیستم وکیوم متصل به ورودی پمپ، به داخل این فضای در حال افزایش می‌کشد.
۲. ایزولاسیون (Isolation): همینطور که روتور به چرخش ادامه می‌دهد، پره پشتی از مقابل پورت (درگاه) ورودی عبور می‌کند. در این لحظه، حجم گازی که بین دو پره، روتور و استاتور قرار گرفته، کاملاً از ناحیه ورودی جدا و محبوس می‌شود. این ایزوله‌سازی برای جلوگیری از بازگشت گاز به ورودی حیاتی است.
۳. تراکم (Compression): با چرخش بیشتر روتور، گاز محبوس شده به سمت ناحیه خروجی پمپ هدایت می‌شود. در این ناحیه، به دلیل نزدیک شدن روتور به دیواره استاتور، حجم فضای حاوی گاز به تدریج کاهش می‌یابد. این کاهش حجم باعث فشرده شدن گاز و در نتیجه افزایش فشار و دمای آن می‌شود.
۴. تخلیه (Exhaust): فرآیند تراکم تا جایی ادامه می‌یابد که فشار گاز فشرده شده به اندازه‌ای برسد که بتواند بر نیروی نگهدارنده شیر تخلیه (اگزوز) و فشار محیط بیرون (اتمسفر) غلبه کند. در این لحظه، شیر تخلیه باز شده و گاز فشرده شده با فشاری کمی بالاتر از فشار اتمسفر به بیرون تخلیه می‌شود. پس از تخلیه گاز و عبور پره از ناحیه خروجی، شیر تخلیه دوباره بسته می‌شود و چرخه برای حجم بعدی گاز تکرار می‌گردد.
آب‌بندی‌های داخلی و کلیرانس‌ها (روغنی و خشک)
دستیابی به خلاء عمیق و کارایی بالا در پمپ‌های وکیوم روتاری به شدت به کیفیت آب‌بندی‌های داخلی و دقت کلیرانس‌ها (لقی‌ها) بین قطعات متحرک و ثابت وابسته است. چندین نقطه آب‌بندی حیاتی وجود دارد:
- آب‌بند Duo Seal: این مهم‌ترین آب‌بندی، فاصله بسیار کم (در حد ۰.۰۲۵ میلیمتر) بین بالاترین نقطه روتور و نزدیکترین نقطه به آن روی استاتور است. این ناحیه، منطقه پرفشار خروجی را از منطقه کم‌فشار ورودی جدا می‌کند. در پمپ‌های روغنی، این شکاف میکروسکوپی توسط فیلم نازکی از روغن وکیوم پر و آب‌بندی می‌شود. در پمپ‌های خشک، این آب‌بندی صرفاً با تلورانس بسیار دقیق ساخت و مواد خاص سطوح انجام می‌گیرد.
- آب‌بندی نوک پره: تماس دائمی نوک پره با دیواره استاتور، حجم‌های گاز را جدا می‌کند. در پمپ روغنی، فیلم روغن به این آب‌بندی کمک می‌کند و در پمپ خشک، مواد خود-روانکار پره این وظیفه را انجام می‌دهند.
- آب‌بندی پره در شیار روتور: لبه‌های کناری پره باید به خوبی در شیار روتور آب‌بند باشند تا از نشت گاز بین فضاهای مجاور جلوگیری شود (روغن در پمپ روغنی به این امر کمک می‌کند).
- آب‌بند شفت: از نفوذ هوای اتمسفر به داخل پمپ از طریق محور چرخان روتور جلوگیری می‌کند.
هرگونه نقص یا افزایش لقی در این آب‌بندها باعث نشت داخلی یا نشت برگشتی (Back-leakage) گاز از ناحیه پرفشار به ناحیه کم‌فشار می‌شود. این نشت داخلی، عامل اصلی محدود کننده فشار نهایی (خلاء نهایی) قابل دستیابی توسط پمپ است و سرعت پمپاژ را نیز کاهش می‌دهد. کیفیت آب‌بندی روغن در پمپ‌های روغنی نیز با افزایش اختلاف فشار بین ورودی و خروجی (مثلاً بیش از نسبت ۱۰۰,۰۰۰ به ۱) ممکن است کاهش یابد و نشت برگشتی رخ دهد. دما نیز با تأثیر بر ویسکوزیته روغن و انبساط قطعات، بر کیفیت آب‌بندی مؤثر است.
شیر تخلیه (اگزوز): عملکرد و طراحی برای جلوگیری از بازگشت
شیر تخلیه (اگزوز) یکی از اجزای حیاتی و در عین حال پرکار پمپ است. عملکرد آن کاملاً مکانیکی است؛ با افزایش فشار گاز فشرده شده در مرحله تخلیه، باز می‌شود و پس از خروج گاز، با فشار اتمسفر بیرون بسته می‌شود. طراحی رایج این شیر شامل یک قطعه الاستومری (مانند لاستیک مصنوعی مقاوم) است که توسط یک صفحه پشتی فلزی تقویت شده است.
وجود بخش الاستومری مزایای مهمی دارد؛ اولاً آب‌بندی بهتری هنگام بسته بودن شیر فراهم می‌کند و ثانیاً از پدیده مخرب مکش برگشت (Suck-back) جلوگیری می‌کند. مکش برگشت به ورود هوا یا حتی روغن از مسیر اگزوز به داخل پمپ و سپس به سیستم وکیوم هنگام خاموش شدن ناگهانی پمپ گفته می‌شود که می‌تواند باعث آلودگی شدید سیستم شود. شیرهای تمام فلزی قدیمی بیشتر مستعد این مشکل بودند. با این حال، به دلیل باز و بسته شدن مداوم با هر چرخش روتور (با فرکانس بالا، مثلاً ۲۹ بار در ثانیه در ۱۷۵۰ دور بر دقیقه)، شیر تخلیه منبع اصلی نویز پمپ بوده و به مرور زمان دچار سایش می‌شود.
نقش روغن وکیوم در پمپ‌های روغنی
در پمپ‌های وکیوم روتاری روغنی، روغن وکیوم نقشی بسیار فراتر از یک روانکار ساده دارد. این مایع مهندسی شده، وظایف حیاتی متعددی را به طور همزمان انجام می‌دهد:
- آب‌بندی: همانطور که اشاره شد، روغن فیلم نازکی را در تمام نقاط کلیدی آب‌بندی (Duo Seal، نوک پره‌ها، کناره پره‌ها در شیار) ایجاد می‌کند که برای دستیابی به خلاء عمیق و جلوگیری از نشت داخلی ضروری است.
- روانکاری: تمام قطعات متحرک مانند پره‌ها، روتور و یاتاقان‌ها را روانکاری کرده و از سایش و اصطکاک بیش از حد جلوگیری می‌کند.
- خنک‌کاری: گرمای تولید شده در اثر تراکم گاز و اصطکاک قطعات را از استاتور و روتور جذب کرده و به بدنه پمپ منتقل می‌کند تا دفع شود.
- محافظت در برابر خوردگی: قطعات فلزی داخلی پمپ را در برابر اثرات خورنده گازهای پمپ‌شونده محافظت می‌کند.
به همین دلیل، ویژگی‌های روغن وکیوم بسیار مهم است. مهم‌ترین ویژگی، فشار بخار پایین آن است. اگر فشار بخار روغن بالا باشد، مولکول‌های روغن در محیط خلاء تبخیر شده و به سمت سیستم وکیوم حرکت می‌کنند (پدیده‌ای به نام جریان برگشتی یا Back-streaming) که باعث آلودگی سیستم شده و همچنین فشار نهایی قابل دستیابی را محدود می‌کند. ویسکوزیته روغن نیز باید متناسب با دمای کاری و اندازه پمپ انتخاب شود تا هم روانکاری مناسب انجام شود و هم فیلم آب‌بندی پایدار بماند. پایداری شیمیایی در برابر گازهای فرآیند نیز حیاتی است. استفاده از روغن نامناسب (مانند روغن موتور معمولی) به دلیل فشار بخار بالا، افزودنی‌های نامناسب و پایداری کم، می‌تواند به سرعت باعث خرابی پمپ و آلودگی سیستم شود.
سیستم گردش روغن و مکانیزم‌های ضد بازگشت (Anti-Suck-Back)
برای انجام وظایف متعدد روغن، باید سیستمی برای گردش آن در داخل پمپ وجود داشته باشد. در طراحی‌های قدیمی‌تر، این گردش ممکن بود با استفاده از خلاء تولیدی خود پمپ برای مکش روغن از مخزن انجام شود. اما در پمپ‌های مدرن‌تر، معمولاً یک پمپ روغن جداگانه (اغلب روی همان شفت اصلی) وجود دارد که روغن را با فشار مثبت (مثلاً ۰.۴ بار بالاتر از اتمسفر) از طریق کانال‌های ماشین‌کاری شده به یاتاقان‌ها و نقاط آب‌بندی می‌رساند.
این سیستم‌های مدرن اغلب دارای مکانیزم‌های ضد بازگشت (Anti-Suck-Back) داخلی نیز هستند. یک نوع رایج، شیری است که با فشار تولیدی توسط پمپ روغن باز نگه داشته می‌شود؛ به محض توقف پمپ و قطع شدن فشار روغن، این شیر به سرعت بسته شده و از مکش روغن به داخل محفظه پمپاژ و سپس به سیستم وکیوم جلوگیری می‌کند. در برخی پمپ‌ها، یک شیر ورودی خودکار (که می‌تواند با فشار هیدرولیک روغن یا به صورت الکترومغناطیسی عمل کند) نیز در ورودی اصلی پمپ تعبیه می‌شود که هنگام توقف پمپ به سرعت بسته شده و محافظت مضاعفی در برابر بازگشت روغن یا هوا به سیستم ایجاد می‌کند.
مکانیزم بالاست گاز (Gas Ballast) برای مدیریت بخارات
پمپ‌های وکیوم روتاری، به خصوص انواع روغنی، در پمپاژ بخارات قابل میعان (مانند بخار آب یا حلال‌ها) با چالش مواجه هستند. اگر این بخارات در طی مرحله تراکم به فشار اشباع خود برسند، ممکن است در داخل پمپ مایع شده و روغن را آلوده کنند یا عملکرد پمپ را مختل نمایند. مکانیزم بالاست گاز (Gas Ballast) برای رفع این مشکل طراحی شده است.
عملکرد بالاست گاز به این صورت است که مقدار کنترل شده‌ای گاز خشک و غیر قابل میعان (معمولاً هوای خشک یا نیتروژن) از طریق یک شیر قابل تنظیم، به صورت عمدی به محفظه پمپاژ در حین مرحله تراکم وارد می‌شود. این گاز اضافی باعث می‌شود فشار کل مخلوط گاز و بخار سریع‌تر به حدی برسد که شیر اگزوز را باز کند، قبل از آنکه فشار جزئی بخار قابل میعان به نقطه اشباع خود برسد. در نتیجه، بخار فرصت مایع شدن پیدا نکرده و همراه با گاز بالاست به صورت گاز از پمپ خارج می‌شود. استفاده از بالاست گاز یک بده‌بستان است: قابلیت پمپاژ بخارات را بهبود می‌بخشد اما به دلیل ورود گاز اضافی به پمپ، خلاء نهایی قابل دستیابی را بدتر (بالاتر) می‌برد.
انواع اصلی پمپ وکیوم روتاری پره‌ای و تفاوت عملکردی آنها
اگرچه اصل کلی عملکرد پمپ‌های پره‌ای یکسان است، اما بر اساس طراحی و ساختار، انواع مختلفی با ویژگی‌های عملکردی متفاوت وجود دارند:
پمپ پره‌ای تک مرحله‌ای روتاری
عملکرد و محدودیت در این نوع پایه، گاز ورودی تنها در یک مرحله از فشار ورودی تا فشار اتمسفر فشرده و تخلیه می‌شود. ساختار آن ساده‌تر است اما به دلیل نسبت تراکم محدودتر و تأثیر بیشتر نشت داخلی، خلاء نهایی قابل دستیابی آن متوسط است (معمولاً در محدوده ۱۰ به توان منفی ۲ میلی‌بار). پمپ وکیوم تک مرحله ای برای کاربردهای خلاء متوسط یا به عنوان پمپ پشتیبان برای سیستم‌های خلاء بالاتر مناسب هستند.
پمپ پره‌ای دو مرحله‌ای
پمپ روتاری دو مرحله‌ای در واقع شامل دو پمپ تک مرحله‌ای است که به صورت سری به هم متصل شده‌اند. مرحله اول (مرحله خلاء بالا) گاز را از سیستم مکیده و تا یک فشار میانی (که هنوز خلاء است) فشرده می‌کند. خروجی مرحله اول به ورودی مرحله دوم (مرحله خلاء پایین یا پشتیبان) متصل می‌شود و مرحله دوم این گاز را تا فشار اتمسفر فشرده و تخلیه می‌کند.
مزیت اصلی این طراحی، دستیابی به خلاء نهایی بسیار بهتر (معمولاً در محدوده ۱۰ به توان منفی ۳ تا ۱۰ به توان منفی ۴ میلی‌بار) است. دلیل این بهبود آن است که مرحله اول گاز خود را به یک محیط با فشار پایین (فشار میانی) تخلیه می‌کند که باعث کاهش چشمگیر نشت برگشتی به داخل مرحله اول می‌شود و همچنین نسبت تراکم کلی سیستم بسیار بالاتر می‌رود. پمپ وکیوم دو مرحله ای همچنین در مدیریت بخارات قابل میعان با استفاده از بالاست گاز کارآمدتر عمل می‌کنند.
پمپ پره‌ای روغنی در مقابل خشک
یک دسته‌بندی مهم دیگر بر اساس استفاده یا عدم استفاده از روغن در محفظه پمپاژ است. پمپ وکیوم روغنی (که رایج‌تر هستند) از روغن پمپ وکیوم برای آب‌بندی، روانکاری و خنک‌کاری استفاده می‌کنند. این امر معمولاً منجر به آب‌بندی بهتر، خلاء نهایی خوب و هزینه اولیه کمتر می‌شود، اما با خطر آلودگی سیستم توسط بخار یا مه روغن و نیاز به نگهداری روغن و فیلتر همراه است.
در مقابل، پمپ‌های خشک از روغن در محفظه پمپاژ استفاده نمی‌کنند و متکی بر تلورانس‌های بسیار دقیق ساخت و مواد پیشرفته خود-روانکار (مانند کامپوزیت‌های گرافیتی یا PTFE) برای پره‌ها و سطوح داخلی هستند. مزیت اصلی آنها عملکرد پاک و بدون آلودگی روغن است که برای صنایع حساس مانند نیمه‌هادی‌ها، پزشکی و ابزارهای آنالیز ضروری است. با این حال، پمپ وکیوم خشک معمولاً گران‌تر هستند، ممکن است ذرات جامد ناشی از سایش تولید کنند و چالش‌های بیشتری در زمینه خنک‌کاری و دستیابی به خلاء نهایی مشابه انواع روغنی داشته باشند.
سیستم خنک‌کاری پمپ (نقش روغن، هوا و آب)
عملکرد پمپ وکیوم روتاری، به خصوص مرحله تراکم گاز و اصطکاک قطعات متحرک، باعث تولید گرما می‌شود. مدیریت این گرما برای حفظ عملکرد پایدار پمپ و افزایش طول عمر آن ضروری است. در پمپ‌های روغنی، روغن وکیوم نقش مهمی در جذب و انتقال گرما از قطعات داغ داخلی (مانند استاتور) به بدنه خارجی پمپ ایفا می‌کند. سپس این گرما باید از بدنه پمپ به محیط اطراف دفع شود.
روش رایج‌تر برای پمپ‌های کوچک و متوسط، خنک‌کاری با هوا است که از طریق پره‌های خنک‌کننده روی بدنه پمپ و گاهی یک فن انجام می‌شود. برای پمپ‌های بزرگتر یا آنهایی که تحت بار کاری سنگین (مکش گاز زیاد) کار می‌کنند، ممکن است از سیستم خنک‌کاری با آب استفاده شود که بازدهی بیشتری در دفع گرما دارد. کنترل دما به ویژه برای حفظ ویسکوزیته مناسب روغن و جلوگیری از افزایش فشار بخار آن اهمیت دارد.
فیلتر مه روغن خروجی (اگزوز) در پمپ‌های روغنی
یکی از پیامدهای استفاده از روغن در پمپ‌های وکیوم روتاری، خروج مقداری از این روغن به صورت غبار یا مه بسیار ریز همراه با گاز تخلیه شده از اگزوز است (به همین دلیل به آنها پمپ “مرطوب” هم گفته می‌شود). این مه روغن می‌تواند محیط کار را آلوده کرده و همچنین باعث اتلاف روغن شود. برای جلوگیری از این مشکل، استفاده از فیلتر مه روغن در خروجی اگزوز این پمپ‌ها ضروری است.
این فیلترها معمولاً حاوی یک المنت مخصوص هستند که با به هم پیوستن ذرات ریز روغن (فرآیندی به نام Coalescing)، آنها را به قطرات بزرگتر تبدیل کرده و از جریان گاز جدا می‌کنند. روغن جمع‌آوری شده در فیلتر را می‌توان به صورت دوره‌ای تخلیه کرد یا در برخی سیستم‌ها، به صورت خودکار به مخزن روغن پمپ بازگرداند. المنت فیلتر یک قطعه مصرفی است و باید پس از مدتی کارکرد (بسته به شرایط کاری و توصیه سازنده) تعویض شود.
محدودیت‌های عملکردی و جایگاه پمپ وکیوم روتاری
علیرغم کارایی بالا، پمپ‌های وکیوم روتاری دارای محدودیت‌های ذاتی در عملکرد هستند. فشار نهایی (خلاء نهایی) قابل دستیابی توسط آنها عمدتاً توسط عواملی مانند نشت داخلی (برگشتی) از طریق آب‌بندها، فشار بخار روغن (در انواع روغنی) و همچنین استفاده از بالاست گاز محدود می‌شود. این پمپ‌ها قادر به دستیابی به سطوح خلاء بسیار بالا یا فوق بالا (UHV) که در برخی کاربردهای علمی یا صنعتی خاص مورد نیاز است، نیستند.
با این حال، نقطه قوت اصلی پمپ‌های وکیوم روتاری، توانایی آنها در شروع به کار از فشار اتمسفر و پمپاژ حجم زیادی از گاز در محدوده فشارهای خلاء پایین و متوسط (Rough and Medium Vacuum) است. این ویژگی آنها را به گزینه‌ای ایده‌آل به عنوان پمپ اولیه (Roughing Pump) یا پمپ پشتیبان (Backing Pump) برای پمپ‌های خلاء بالا (مانند پمپ‌های توربومولکولار، دیفیوژن یا کرایو) تبدیل می‌کند. پمپ روتاری ابتدا فشار سیستم را از اتمسفر تا حدی پایین می‌آورد که پمپ خلاء بالا بتواند شروع به کار کند و سپس گاز خروجی پمپ خلاء بالا را دریافت و به اتمسفر تخلیه می‌کند.
جمع‌بندی: اساس کار پمپ وکیوم روتاری
پمپ وکیوم روتاری (به خصوص نوع پره‌ای رایج آن) یک دستگاه مکانیکی دقیق است که با استفاده از اصل جابجایی مثبت، گاز را از یک سیستم بسته خارج می‌کند تا فشار آن را کاهش دهد. این کار از طریق یک چرخه پیوسته شامل مکش گاز به داخل حجم‌های در حال انبساط ایجاد شده توسط روتور خارج از مرکز و پره‌های لغزنده، ایزوله کردن این حجم گاز، تراکم آن با کاهش حجم فضا و در نهایت تخلیه گاز فشرده شده به اتمسفر انجام می‌شود. آب‌بندی دقیق بین قطعات متحرک و ثابت (که در انواع روغنی با کمک فیلم روغن و در انواع خشک با تلورانس‌های بالا و مواد خاص انجام می‌شود) برای جلوگیری از نشت داخلی و دستیابی به خلاء مناسب، حیاتی است. درک این مکانیزم‌ها به انتخاب صحیح پمپ و استفاده بهینه از آن در کاربردهای مختلف کمک می‌کند.